一、引言
隨著現(xiàn)代制造業(yè)對(duì)高精度、高效率加工需求的不斷增長(zhǎng)，砂輪作為磨削加工中的關(guān)鍵工具，其性能的提升備受關(guān)注。金屬燒結(jié)砂輪因其具有較高的硬度、強(qiáng)度和良好的導(dǎo)熱性，在硬脆材料（如陶瓷、光學(xué)玻璃、半導(dǎo)體材料等）的精密磨削加工中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而，金屬燒結(jié)砂輪的制備工藝較為復(fù)雜，其工藝參數(shù)的微小變化可能對(duì)砂輪的微觀結(jié)構(gòu)和磨削性能產(chǎn)生顯著影響。因此，深入研究金屬燒結(jié)砂輪的制備工藝優(yōu)化及其磨削性能具有重要的理論和實(shí)際意義。
二、金屬燒結(jié)砂輪的制備工藝
（一）原材料選擇
金屬燒結(jié)砂輪的主要原材料包括金屬基體粉末和磨料顆粒。常用的金屬基體粉末有鐵基、鈷基、鎳基等合金粉末，這些粉末具有良好的綜合力學(xué)性能和可燒結(jié)性。磨料顆粒則根據(jù)加工材料的不同可選擇金剛石、立方氮化硼（CBN）等超硬磨料。在選擇原材料時(shí)，需考慮磨料與金屬基體的相容性、粉末的粒度分布等因素。例如，對(duì)于金剛石磨料，其表面通常需進(jìn)行金屬化處理以增強(qiáng)與金屬基體的結(jié)合力。
（二）混料
將選定的金屬基體粉末和磨料顆粒按照一定的比例在球磨機(jī)中進(jìn)行混合?；炝线^程中，需控制球料比、球磨時(shí)間和轉(zhuǎn)速等參數(shù)，以確保粉末混合均勻。同時(shí)，為了防止粉末在混料過程中氧化，可采用惰性氣體保護(hù)。
（三）成型
混料均勻后的粉末采用冷壓成型或熱壓成型工藝制備砂輪坯體。冷壓成型是在常溫下施加一定的壓力使粉末成型，其設(shè)備簡(jiǎn)單，但成型壓力較高且坯體密度相對(duì)較低。熱壓成型則是在高溫和壓力同時(shí)作用下進(jìn)行成型，能夠提高坯體的致密度，但設(shè)備成本較高且工藝控制較為復(fù)雜。成型壓力、保壓時(shí)間等參數(shù)對(duì)坯體的密度和強(qiáng)度有重要影響。
（四）燒結(jié)
燒結(jié)是金屬燒結(jié)砂輪制備的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。燒結(jié)工藝參數(shù)主要包括燒結(jié)溫度、燒結(jié)壓力和燒結(jié)時(shí)間。燒結(jié)溫度決定了金屬粉末的原子擴(kuò)散速率和化學(xué)反應(yīng)程度，過高的溫度可能導(dǎo)致磨料顆粒的損傷或金屬基體的晶粒長(zhǎng)大，而過低的溫度則會(huì)使燒結(jié)不充分，砂輪強(qiáng)度不足。燒結(jié)壓力有助于粉末顆粒的緊密接觸和孔隙的減少，提高砂輪的致密度。燒結(jié)時(shí)間也需合理控制，過長(zhǎng)的燒結(jié)時(shí)間可能增加生產(chǎn)成本并導(dǎo)致砂輪性能劣化，而過短則無(wú)法達(dá)到理想的燒結(jié)效果。
三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法
（一）實(shí)驗(yàn)材料
選用粒度為 40 - 60μm 的金剛石磨料，金屬基體采用鈷基合金粉末（Co 含量 60%，其余為 Cr、W 等合金元素），粉末粒度為 1 - 5μm。
（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)備
1.
球磨機(jī)：用于粉末混合，型號(hào)為 QM - 3SP04。
2.
3.
熱壓燒結(jié)爐：可精確控制燒結(jié)溫度、壓力和時(shí)間，型號(hào)為 ZTY - 40 - 20。
4.
5.
精密磨床：用于磨削性能測(cè)試，型號(hào)為 MGK7120。
6.
7.
X 射線衍射儀：分析砂輪的物相組成，型號(hào)為 D8 Advance。
8.
9.
掃描電子顯微鏡：觀察砂輪的微觀結(jié)構(gòu)，型號(hào)為 S - 4800。
10.
（三）實(shí)驗(yàn)方案
采用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，以燒結(jié)溫度（A）、燒結(jié)壓力（B）、燒結(jié)時(shí)間（C）為變量，每個(gè)變量取三個(gè)水平，具體取值如表 1 所示。制備不同工藝參數(shù)下的金屬燒結(jié)砂輪，并對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)和磨削性能進(jìn)行測(cè)試分析。
因素 | 水平 1 | 水平 2 | 水平 3 |
A 燒結(jié)溫度（℃） | 800 | 850 | 900 |
B 燒結(jié)壓力（MPa） | 20 | 30 | 40 |
C 燒結(jié)時(shí)間（min） | 30 | 45 | 60 |
四、金屬燒結(jié)砂輪的微觀結(jié)構(gòu)分析
（一）XRD 分析
對(duì)不同工藝參數(shù)制備的金屬燒結(jié)砂輪進(jìn)行 XRD 分析，結(jié)果表明，主要物相為鈷基合金相和金剛石相。在部分樣品中，隨著燒結(jié)溫度的升高，出現(xiàn)了少量的金屬間化合物相，這是由于高溫下合金元素之間發(fā)生了擴(kuò)散和反應(yīng)。
（二）SEM 分析
通過 SEM 觀察發(fā)現(xiàn)，在優(yōu)化的燒結(jié)工藝參數(shù)下，金屬基體與金剛石磨料結(jié)合緊密，金剛石顆粒均勻分布在金屬基體中，金屬基體的孔隙較少，呈現(xiàn)出較高的致密度。而在工藝參數(shù)不合理的情況下，如燒結(jié)溫度過低或壓力不足，金屬基體中存在較多的孔隙，金剛石顆粒與基體的結(jié)合界面出現(xiàn)縫隙，這將嚴(yán)重影響砂輪的強(qiáng)度和磨削性能。
五、金屬燒結(jié)砂輪的磨削性能測(cè)試
（一）磨削力測(cè)試
在精密磨床上對(duì)金屬燒結(jié)砂輪的磨削力進(jìn)行測(cè)試，采用三向力傳感器分別測(cè)量法向磨削力 Fn、切向磨削力 Ft 和軸向磨削力 Fa。結(jié)果顯示，隨著燒結(jié)溫度的升高，砂輪的硬度增加，磨削力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)。在合適的燒結(jié)壓力和時(shí)間下，較高的燒結(jié)溫度能夠使金屬基體更加致密，對(duì)磨料的把持力增強(qiáng)，從而使磨料在磨削過程中更有效地切削工件，降低磨削力。但當(dāng)溫度過高時(shí)，金屬基體的韌性下降，磨料容易脫落，導(dǎo)致磨削力增大。
（二）磨削表面粗糙度測(cè)試
使用表面粗糙度儀測(cè)量磨削后工件表面的粗糙度 Ra。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)壓力對(duì)磨削表面粗糙度影響較大。較高的燒結(jié)壓力能夠使砂輪的組織更加均勻致密，磨料在磨削過程中的切削軌跡更加穩(wěn)定，從而獲得較低的表面粗糙度。燒結(jié)時(shí)間和溫度也通過影響砂輪的微觀結(jié)構(gòu)間接影響表面粗糙度。
（三）材料去除率測(cè)試
材料去除率 Q 是衡量砂輪磨削效率的重要指標(biāo)。通過測(cè)量磨削前后工件的質(zhì)量差并結(jié)合磨削時(shí)間計(jì)算材料去除率。結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，提高燒結(jié)溫度、壓力和時(shí)間均能提高金屬燒結(jié)砂輪的材料去除率。這是因?yàn)閮?yōu)化的工藝參數(shù)使砂輪的硬度、強(qiáng)度和磨料的切削性能得到提升，能夠更有效地去除工件材料。但當(dāng)工藝參數(shù)超出合理范圍時(shí)，砂輪的磨損加劇，材料去除率反而下降。
六、結(jié)果與討論
（一）工藝參數(shù)對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的影響
燒結(jié)溫度是影響金屬燒結(jié)砂輪微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素之一。溫度升高時(shí)，金屬粉末的原子擴(kuò)散加劇，促進(jìn)了燒結(jié)過程的進(jìn)行，使金屬基體的致密度提高，同時(shí)也可能導(dǎo)致晶粒長(zhǎng)大和新相生成。燒結(jié)壓力能夠壓縮粉末顆粒之間的孔隙，使金屬基體更加緊密地包裹磨料顆粒，增強(qiáng)結(jié)合力。燒結(jié)時(shí)間則為原子擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)提供了足夠的時(shí)間，過長(zhǎng)或過短的時(shí)間都會(huì)影響微觀結(jié)構(gòu)的均勻性和完整性。
（二）微觀結(jié)構(gòu)與磨削性能的關(guān)系
金屬燒結(jié)砂輪的微觀結(jié)構(gòu)直接決定了其磨削性能。高致密度的金屬基體能夠更好地把持磨料顆粒，使磨料在磨削過程中穩(wěn)定地切削工件，減少磨料的脫落和破損，從而降低磨削力、提高表面加工質(zhì)量和材料去除率。良好的金屬 - 磨料結(jié)合界面能夠有效地傳遞磨削力，使磨料的切削作用得到充分發(fā)揮。
（三）工藝參數(shù)確定
通過對(duì)磨削力、表面粗糙度和材料去除率等性能指標(biāo)的綜合分析，確定金屬燒結(jié)砂輪的制備工藝參數(shù)為：燒結(jié)溫度 850℃、燒結(jié)壓力 30MPa、燒結(jié)時(shí)間 45min。在此工藝參數(shù)下制備的金屬燒結(jié)砂輪具有較好的微觀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的磨削性能。
七、結(jié)論
1.
金屬燒結(jié)砂輪的制備工藝對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)和磨削性能有著重要影響。通過優(yōu)化金屬粉末選擇和燒結(jié)工藝參數(shù)（溫度、壓力、時(shí)間），能夠提高砂輪的致密度、硬度和強(qiáng)度，改善金屬 - 磨料結(jié)合界面。
2.
3.
XRD 和 SEM 分析表明，優(yōu)化工藝參數(shù)下的金屬燒結(jié)砂輪金屬基體與磨料結(jié)合良好，微觀結(jié)構(gòu)均勻致密。
4.
5.
磨削性能測(cè)試結(jié)果顯示，工藝參數(shù)制備的砂輪在磨削力、表面粗糙度和材料去除率等方面表現(xiàn)出色，能夠滿足精密磨削加工的要求。本研究為金屬燒結(jié)砂輪的制備和應(yīng)用提供了有價(jià)值的參考，有助于推動(dòng)其在精密制造領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。
6.
未來(lái)研究可進(jìn)一步探索新型金屬基體材料和磨料組合，以及采用更先進(jìn)的制備工藝（如微波燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)等）來(lái)進(jìn)一步提升金屬燒結(jié)砂輪的性能，拓展其應(yīng)用范圍。
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